Problemorientiertes und offenes Experimentieren im physikalischen Praktikum

Maßnahme

In einem Teil des Physikalischen Praktikums I soll das rezeptartige Experimentieren aufgebrochen und durch ein neues Lehrkonzept für offenes, problemorientiertes Experimentieren ersetzt werden. Die Studierenden sollen stärker aktiviert und ihr eigenes Denken und Handeln in den Mittelpunkt gestellt werden. Sie sollen eigene Ansätze einbringen, im Team experimentelle Vorgehensweisen entwerfen, diskutieren und umsetzen, Versuchsentwürfe und -ergebnisse präsentieren und im wissenschaftlichen Diskurs Verbesserungsvorschläge machen und annehmen. Repetitiver Leerlauf, zum Beispiel das Abschreiben von Protokollen, soll reduziert werden.

Zur Verfolgung dieser Ziele wurde ein für die Bedingungen des Praktikums geeignetes Konzept offenen Experimentierens entworfen, das auf folgenden Eckpunkten basiert:

• Jedes offene Experiment erfolgt in einer Experimentierumgebung, die sich für viele Fragestellungen und viele experimentelle Lösungsmöglichkeiten eignet.
• Je Experimentierumgebung gibt es mindestens 30 verschiedene Aufgabenstellungen.
• Zwei Teams mit bis zu vier Studierenden bearbeiten zwei verschiedene Aufgabenstellungen.
• Der/die Lehrende führt die Studierenden in Konzept und Experimentierumgebung ein, initiiert die Teambildung, verteilt Aufgaben und steht als Diskussionspartnerin bzw. -partner bereit – nicht um die Teams zu lenken, sondern um maximalen Spielraum zur Problemlösung zu eröffnen.
• Jedes Team entwickelt Ideen zur Lösung der Aufgabe, präsentiert den anderen eigene Entwürfe, diskutiert mit anderen darüber und sucht Fehler und Probleme.
• Das Experiment wird aufgebaut, durchgeführt und protokolliert.
• Die Teams präsentieren und diskutieren ihre experimentellen Ergebnisse.
• Jedes Team arbeitet gemeinsam ein Protokoll des offenen Experiments aus.
• Die Dozentin bzw. der Dozent prüft das Protokoll und bespricht es mit dem Team.
[Für detaillierten Ablauf s. Projektbericht im Anhang]

Die Dozentinnen und Dozenten des Praktikums wurden in den Neugestaltungsprozess von Anfang an mit einbezogen. Mit Hilfe einer zu diesem Zweck entwickelten Anleitung sowie Hospitationen eigneten sich einige der Praktikumsdozentinnen und -dozenten die notwendigen Voraussetzungen zur eigenverantwortlichen Betreuung des neuen, offen gestalteten Experimenttyps an und konnten durch ihre Erfahrungen direkt den Entwicklungsprozess unterstützen.

Grund

Im Physikalischen Praktikum werden Studierende verschiedener Studiengänge und verschiedener Semester gemeinsam unterrichtet. Eingangskenntnisstand und Motivationslage der Studierenden sind äußerst heterogen. Eine Synchronisation zwischen Vorlesungsstoff und Praktikumsthematik kann oft nur unvollständig realisiert werden.

Das Praktikum besteht aus zwölf Versuchen. Je Versuch stehen vier Stunden zur Verfügung. Dazu kommen Zeiten für Vorbereitung und Protokoll-Ausarbeitung. Eine Dozentin bzw. Dozent betreut maximal acht Studierende, die zu zweit vorstrukturierte Versuchsprogramme anhand einer Anleitung Schritt für Schritt abarbeiten. Dieser reproduktiv orientierte Arbeits- und Lernablauf ist auch an anderen Universitäten typisch für die klassische Praktikumsausbildung.

Vor diesem Hintergrund entstand der Wunsch, den genannten Schwierigkeiten mit einem neuen Lehrkonzept zu begegnen, die reproduktive Arbeitsweise aufzubrechen und Lernsituationen zu schaffen, bei denen die Lernenden sich in einem kreativen Prozess mit Problemen auseinandersetzen und im Rahmen einer flexiblen Versuchsumgebung offene Lösungswege selber gestalten und entdecken können. Es sollten viele verschiedene und unterschiedlich anspruchsvolle Lösungswege möglich sein, so dass unabhängig von den jeweiligen Startpositionen individuelle Lernerfolge erarbeitet werden können. Zusätzlich sollten kommunikative Prozesse im Team ermöglichen, dass Studierende mit unterschiedlichen Vorkenntnissen und Sichtweisen voneinander profitieren und dass die erfolgende Verbalisierung und Visualisierung das Gelernte bereichern.

Ein Ausgangspunkt unseres Entwicklungsprozesses waren Erfahrungen eines der Autoren mit offenem Experimentieren im gymnasialen Physikunterricht. Weitere Erfahrungen gewannen wir 2010/2011 bei der Einführung des Experimentierlabors Interferometrie in das Physikalische Praktikum II. Hier wurden erste Schritte zu problemorientiertem Experimentieren erprobt, ohne die Grundstruktur zu reformieren. Eigenständige Planung und Diskussion in der Gruppe wurden dabei noch nicht verankert.

Kontext

Das Physikalische Praktikum I für Studierende der Naturwissenschaften findet zwei Mal pro Semester statt und wird jährlich von ca. 400 Studierenden absolviert. Hier und im Praktikum II erfolgt die experimentalphysikalische Grundausbildung der Studierenden der Studiengänge Physik, Geophysik, Ozeanografie, Meteorologie, (Lebensmittel-)Chemie, Informatik und Computing in Science.

Diese Maßnahme wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 01PL17033 im Rahmen des Lehrlabors (Universitätskolleg, Universität Hamburg) entwickelt.

Projekttitel: "Problemorientiertes, offenes Experimentieren im Physikalischen Praktikum I für Studierende der Naturwissenschaften"
Förderzeitraum: 01.04.2013 - 31.03.2014

Projekttitel: "Festigung und Ausweitung (Physikalisches Praktikum) von Offenem Experimentieren (I + II)"
Förderzeitraum: 01.04.2014 - 31.03.2015

Kräfte

Die gegenwärtige Ausbildung im Praktikum ist durch eine Reihe von Randbedingungen gekennzeichnet: Die Bologna-Reform mit zahlreichen studienbegleitenden Prüfungen fördert ein auf Prüfungsbewältigung hin zugeschnittenes Studienverhalten mit reproduktiver Ausprägung. Nach unserer Beobachtung nehmen die mathematischen und physikalischen Kompetenzen der Studierenden zu Studienbeginn im Mittel ab bei gleichzeitiger Zunahme der Streuung. Hierfür könnten die Umstellung auf das achtjährige Gymnasium sowie der Anstieg der Absolventenzahlen verantwortlich sein.

Im Rahmen eines großen Praktikums mit vielen hundert Absolventinnen und Absolventen pro Jahr erscheint eine abrupte Umstellung unmöglich und würde zum zeitweisen Erliegen des Praktikumsbetriebs führen. Deshalb verfolgen wir einen evolutionären Prozess, indem ein Teil der klassischen Experimente nach und nach durch Experimente nach neuem Konzept abgelöst wird. Diese neuen Experimente können nur im laufenden Praktikum eingeführt, erprobt, evaluiert und im Lichte der Erfahrungen und Bedürfnisse der Studierenden und Dozierenden weiterentwickelt werden, und sie müssen sich im Praktikumsalltag mit großen Studierendenzahlen bewähren.

Wirkungen

Weiterführende Informationen